1 华中科技大学分析测试中心, 湖北 武汉 430074
2 中国计量科学研究院前沿计量科学中心, 北京 100029
3 华中科技大学能源与动力工程学院, 湖北 武汉 430074
圆二色（CD）光谱是一种公认的用于测量蛋白质及其二级结构的生物物理技术, 不但被广泛用于测量蛋白质的二级结构, 而且可以检测二级及更高级结构的变化, 同时用于科学研究和蛋白质产品如生物制药的质量控制。 由于对CD光谱测量中的误差来源定量理解有限, 对光谱进行客观比较仍具有挑战性。 统计方法可用于比较, 但不提供处理系统性以及随机性误差的机制。 在任意两台仪器中进行的CD测量, 即使在可比较的条件下, 相同样品的光谱幅度（elipticity椭圆度, CD scale, 也称圆二色值）或波长也可能存在细微差异。 光源、 最终的光度输出和各个仪器之间入射光偏振的微小差异是导致圆二色值或波长产生差异的可能原因。 分析蛋白质CD光谱取决于原始CD数据的质量, CD解卷积分析强烈依赖于CD光谱中谱峰的圆二色值。 因此, 以一种α-螺旋为主导的蛋白质—细胞色素C为实验对象, 在对CD光谱仪进行校准的前提下, 对其浓度为0.05 mg·mL-1的水溶液进行圆二色光谱测定, 继而建立了0.05 mg·mL-1细胞色素C水溶液的CD光谱测量模型, 评估了其在波长222 nm谱峰圆二色值的不确定度。 圆二色值的不确定度来源主要有测量重复性、 校准溶液及蛋白溶液浓度的不确定度、 比色皿光程长的不确定度等。 经过仪器校准后, 综合考虑这些不确定来源, 得到0.05 mg·mL-1细胞色素C水溶液在波长为222 nm处谱峰的圆二色值及不确定度为(-4.53±0.54) mdeg, k=2。 通过不确定度评估, 发现在不确定分量中较为显着的为1 mm比色皿光程长不确定度和溶液配置过程引入的不确定度分量, 设法消除或降低这些因素的影响, 可以改进测量方法分析测量过程, 以实现CD光谱的客观比较, 提高CD谱图的可比性和可靠性, 为开展圆二色光谱测量的实验室间比对提供实验参考。
蛋白质 圆二色 光谱 二级结构 圆二色值 不确定度评估 细胞色素C 可比性 Protein Circular dichroism Spectroscopy Secondary structure Magnitude Uncertainty estimation Cytochrome C Comparability 光谱学与光谱分析
2023, 43(10): 3105
华南理工大学 食品科学与工程学院, 广东 广州 510641
通过巯基乙酸(TGA)修饰的金纳米颗粒(AuNPs)静电吸附在UiO-66表面制备得到UiO-66/AuNPs的表面增强拉曼(SERS)基底, 研究了基底对不同带电性质的六种有机色素(孔雀石绿、亚甲基蓝、藏红T、柠檬黄、日落黄、刚果红)的SERS响应规律。结果发现, UiO-66/AuNPs对阳离子型孔雀石绿、亚甲基、蓝藏红T染料的增强因子分别为2.12×104、4.46×104、7.20×104, 比阴离子型柠檬黄、日落黄、刚果红染料的增强因子(1.43×102、2.54×102、1.73×102)高2个数量级。因此, UiO-66/AuNPs基底可以通过静电吸附选择性提高对阳离子型色素的检测灵敏度, 是一种有着广阔应用前景的高效SERS传感器材料。
色素 检测 MOFs MOFs SERS SERS organic dyes detection
广东第二师范学院化学与材料科学学院, 广州 510800
采用高温固相法合成了La2MgTiO6∶Mn4+、La2MgTiO6∶Pr3+、La2MgTiO6∶Pr3+,Mn4+单掺杂和双掺杂荧光粉, 并通过X射线衍射、扫描电镜、荧光光谱等测试方法对荧光粉的物相结构、形貌和发光特性进行了表征及分析。结果表明: 成功合成了La2MgTiO6∶Mn4+、La2MgTiO6∶Pr3+、La2MgTiO6∶Pr3+,Mn4+荧光粉且均为纯相; 样品的粒径为1~2 μm; La2MgTiO6∶Mn4+在650~750 nm的红光发射是来自Mn4+的2E1→4A2跃迁, La2MgTiO6∶Pr3+在红光区域600~660 nm具有强烈的发射, 归属为Pr3+的3P0→3H6和3P0→3F2跃迁。当Mn4+与Pr3+共同掺杂于La2MgTiO6时, 来自Mn4+、Pr3+不同波段的红光发射使荧光粉的发射光谱与植物光敏色素Pr与Pfr吸收光谱的重叠程度大幅增加, 表明Mn4+、Pr3+共掺有效拓宽了La2MgTiO6荧光粉的红光发射区域, 更符合植物照明的需求, 在LED植物照明领域具有更明显的潜在应用价值。
荧光粉 红光发射 光敏色素 植物照明 La2MgTiO6 La2MgTiO6 phosphor red light emission phytochrome Mn4+ Mn4+ Pr3+ Pr3+ plant illumination
1 南京信息工程大学江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，江苏 南京 210044
2 南京信息工程大学电子与信息工程学院，江苏 南京 210044
为了研究海洋非色素团聚颗粒对水下量子通信性能的影响，基于Mie散射理论和Gordon模型，分析了非色素团聚颗粒的散射与吸收特性。针对不同波长的光信号，建立了海洋非色素团聚颗粒质量浓度与链路衰减、量子安全密钥产生率、信道建立速率、幅值阻尼信道容量之间的关系模型并进行了仿真。结果表明，当采用波长为580 nm的光信号进行水下量子通信、传输距离为2 km、海洋非色素团聚颗粒的质量浓度为1.2 mg/L时，对应的链路衰减、量子安全密钥产生率和幅值阻尼信道容量分别为1.659、8.295×10-5和0.486；保真度为0.899时，量子信道建立速率为58.2 pair/s。该仿真结果可为海洋环境中量子通信系统的设计与优化提供参考依据。
量子通信 海洋非色素团聚颗粒 量子安全密钥产生率 信道建立速率 幅值阻尼信道 光学学报
2023, 43(12): 1201001
1 南京理工大学 电子工程与光电技术学院, 江苏 南京 210094
2 季华实验室, 广东 佛山 528200
3 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所, 江苏 苏州 215163
4 北京华夏光谷科光电技有限公司, 北京 100088
偏振图像比传统图像包含更为丰富的来自物体表面及浅表信息, 因此可通过获取皮肤异常区与正常区的偏振信息进行皮肤状态的检测与评估。本项目搭建多波段激光照明式皮肤偏振成像系统, 开展了蓝绿红三波段偏振激光照明下的正常皮肤、色素沉积皮肤和炎症皮肤的激光偏振成像实验。主要结果: 1)488 nm蓝光和520 nm绿光激光照明下, 色素沉积区、炎症区和正常皮肤区的偏振度数据有明显差异; 2)660 nm红光激光照明下, 色素沉积区和正常皮肤区有明显差异, 但炎症区和正常皮肤区数据接近; 3)针对色素沉积区的三波长激光偏振图像信息比较相似。综合分析表明: 在绿激光照明下获得模拟皮肤的偏振图像与偏振度数据, 较容易区分正常皮肤与色素沉积及炎症皮肤区域之间的界面与差异; 色素沉积区域偏振图像更为相似, 表现为皮下同一深度信息; 炎症区域偏振图像差异性大, 为不同深度下皮肤的偏振信息。
激光照明 皮肤偏振成像 色素沉积 炎症 偏振度 Laser illumination skin polarization imaging pigment deposition inflammation degree of polarization
1 南京信息工程大学海洋科学学院，江苏 南京 210044
2 中国科学院空天信息创新研究院遥感科学国家重点实验室，北京 100101
3 自然资源部第二海洋研究所，浙江 杭州 310012
4 浙江海洋大学水产学院，浙江 舟山 316022
针对浮游植物的总叶绿素a和7种诊断色素（叶绿素b、岩藻黄素、多甲藻素、19-己酰基氧化盐藻黄素、19-丁酰基氧化盐藻黄素、别藻黄素和玉米黄素），基于现场多波段激发荧光光谱数据，通过构建激发荧光光谱特征表征量，利用极限梯度提升（XGBoost）机器学习算法，建立了浮游植物色素浓度的反演模型。验证结果表明，反演模型具有良好的估算精度，其中总叶绿素a的反演模型精度最高（决定系数为0.87，平均绝对相对百分比误差为28.1%，均方根误差为1.168 mg·m-3）。将建立的色素反演模型应用于东海典型断面处，成功获取了色素浓度的垂向分布特征。
光谱学 激发荧光光谱 浮游植物色素浓度 反演模型 XGBoost机器学习算法 光学学报
2022, 42(18): 1830002
1 北京理工大学光电学院光电成像技术与系统教育部重点实验室，北京 100081
2 北京理工大学医工融合研究院，北京 100081
3 中国人民解放军总医院第七医学中心病理科，北京 100700
可靠性是衡量光学仪器检测有效性的一项重要指标，直接关系到设备的实用性。研究穆勒成像偏振仪在病理诊断中的可靠性，对推进其临床应用至关重要。利用实验室自主研制的穆勒成像偏振仪检测155例黑色素瘤、色素痣和正常皮肤组织切片，得到退偏、相位延迟、双向衰减等极分解参数。通过受试者工作特征（ROC）曲线分析得出：正常皮肤和黑色素瘤的退偏、相位延迟及双向衰减诊断可靠性分别为100%、100%和90%；正常皮肤和色素痣的退偏、相位延迟及双向衰减诊断可靠性分别为99%、88%和75%；色素痣和黑色素瘤的退偏、相位延迟及双向衰减诊断可靠性分别为96%、97%和78%。本研究证明了自主研制穆勒成像偏振仪在皮肤组织切片检测中的可靠性和有效性，有望成为一项辅助医生进行病理诊断的有力工具。
测量 偏振 穆勒矩阵 受试者工作特征曲线 黑色素瘤 色素痣 光学学报
2022, 42(15): 1512002
1 大连大学生命科学与技术学院,辽宁 大连 11622
2 大连大学环境与化学工程学院,辽宁 大连 116622
3 辽宁省生物有机化学重点实验室,大连大学,辽宁 大连 116622
在生命体内有关电子转移的研究备受关注, 其中蛋白质以及酶之间的电子转移研究已成为热点, 目前有关光诱导血红素蛋白还原的详细机理尚不明确, 电子转移也许是解释这一机理的有效途径。 通过紫外-可见吸收光谱、 稳态荧光光谱和圆二色等光谱系统地研究了体外近生理溶液环境中, 不同的紫外定波长、 pH、 游离氨基酸、 谷胱甘肽、 咪唑对Cyt b5光照还原的影响, 以阐明Cyt b5不能用传统提出的机制去解释的光还原机制。 结果表明: 在近紫外区通过直接的光激发高铁细胞色素b5 (Cyt b5)可以使其被还原成亚铁Cyt b5, 经过分析发现了Cyt b5被光还原的机制和促进条件。 用280 nm单色光照射Cyt b5溶液, 发现随着光照时间的延长, Cyt b5溶液紫外-可见光谱中Soret带由412 nm红移到421 nm, Q带556 nm处吸收峰逐渐增强。 Cyt b5被光照后发生了类似化学还原剂作用的还原反应, 同时发现了不同的光照波长、 不同的pH、 氨基酸种类以及各种其他配体等存在下对Cyt b5的还原程度影响不同。 采用280 nm波长、 在偏碱性条件下光照Cyt b5时还原程度最强; 溶液中加入谷胱甘肽和咪唑能通过提供电子和氢供体途径促进Cyt b5的光照还原反应发生; 溶液中游离Met的存在能以最大速率促进光照还原反应的发生。 基于以上结果提出Cyt b5光还原的机理是从卟啉环到三价铁的电子转移, 通过280 nm激发形成卟啉π阳离子基团和亚铁。 采用稳态荧光光谱和圆二色谱对Cyt b5光照还原发生前后进行检测, 发现光诱导蛋白发生还原后, Cyt b5主链结构逐渐伸展, 二级结构发生了一定改变, α-螺旋含量逐渐降低, β-折叠含量逐渐升高, 但是整个Cyt b5的二级结构仍以α-螺旋为主。 该研究结果不仅对了解光对含血红素蛋白(酶)的结构和功能的影响有重要的理论和实践意义, 而且对于生命体内的氧化还原反应和电子传递机制提供一定理论依据。
细胞色素b5 光诱导 氧化还原 光谱 Cytochrome b5 Photo-induced Oxidation-Reduction Reaction Spectroscopy 
1 北华大学林学院, 吉林 吉林 132013
2 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室, 湖北 武汉 430072
光谱成像技术广泛应用于植物理化参数无损伤测定等领域研究, 而色素与色彩参数相关性研究也有学者探索。 但比较并优选分别以色彩参数值、 光谱参数值作为自变量与色素含量拟合出的模型, 还未见报道。 本实验以5种针叶树种为研究对象, 筛选蓝边幅值Db、 黄边幅值Dy、 红边幅值Dr、 绿峰幅值Rg、 红谷幅值Rr、 蓝边面积SDb、 黄边面积SDy、 红边面积SDr、 比值植被指数RVI、 差值植被指数DVI、 归一化植被指数NDVI 11种光谱植被参数作为该光谱分析的基础, 将实测针叶色彩参数值、 光谱参数值分别作为自变量, 采用多元线性逐步回归方法(SMLR)预估色素含量建立模型, 以R2、 RMSE为评价标准, 对比选出模型精度最高的参数组合应用于实践。 研究结果表明: (1) 树种间针叶色素含量、 色相参数值、 光谱反射率均存在一定差异(p<0.05)。 (2) 树种间针叶光谱反射率红松显著低于北美短叶松、 樟子松、 赤松(p<0.05), 针叶树种原始光谱在可见光波段500和680 nm附近呈现“蓝谷现象”和“红谷现象”, 在550和760 nm波段附近呈现“绿峰现象”和“红边现象”; 一阶微分光谱反射率在700 nm附近产生剧烈变化。 (3) 色素含量与色彩参数、 光谱反射率、 光谱特征参数存在显著线性关系。 (4) 花青素和叶绿素分别以L, a*和L, a*, b*, S色彩参数组合为自变量时, 拟合模型R2最高, 分别为0.588和0.638; 而类胡萝卜素、 叶绿素a、 叶绿素b都是以FD652, FD700, SDb, SDy, RVI, DVI和NDVI光谱参数组合为自变量时, 拟合模型R2最高, 分别为0.779, 0.786, 0.774。 该研究运用高光谱相机、 色彩色差仪、 紫外-可见分光光度仪实现了快速预估针叶色素含量, 在色彩参数值与光谱值都与色素含量存在显著相关性的基础上, 成功选出建立模型精度最高的参数组合, 在针叶树种色素预估时可以根据精度需求及研究条件选择不同方法和参数值。
针叶树种 色素含量 植物光谱 色彩参数 Conifer species Pigment content Plant spectrum Chromatic parameters
省部共建淡水鱼类发育生物学国家重点实验室, 湖南师范大学生命科学学院, 长沙 410081
斑马鱼(Danio rerio)是一种常见的模式生物, 红斑马鱼为小型观赏性鱼类之一。鱼类体色主要是由皮肤或鳞片上的色素细胞的种类和分布决定的。黑色素细胞诱导转录因子(MITF)主要调控动物黑色素细胞发育和分化。本文观察了红斑马鱼成鱼的背鳍、臀鳍、腹鳍、胸鳍色素细胞的组成和分布, 跟踪观察了红斑马鱼早期体色发育过程。通过CRISPR/Cas9基因敲除技术构建了mitfa基因敲除体系, 研究了mitfa基因在红斑马鱼早期体色发育中的作用。结果表明: 1)红斑马鱼鳍上分布有红色素细胞、黄色素细胞和少量的虹彩细胞, 但背鳍有大量的黑色素细胞; 2)在红斑马鱼早期体色发育过程中, 首先出现黑色素细胞, 接着出现黄色素细胞, 一个月后, 红斑马鱼的黑色素细胞消退, 鱼体表变浅红, 变色中体表颜色逐渐加深, 最后呈红色、银白色条纹相间分布的成鱼体色; 3)利用CRISPR/Cas9技术, 敲除mitfa基因, 结果发现, mitfa的缺失导致早期红斑马鱼黑色素细胞显著减少。上述研究结果将为观赏鱼的选育以及建立人工改良鱼类体色有效途径提供重要的理论支撑。
红斑马鱼 鱼鳍 色素细胞 red zebrafish fins mitfa mitfa CRISPR/Cas9 CRISPR/Cas9 pigment cells
